KR20130108551A - 내연기관의 제어 방법 및 그 장치 - Google Patents

내연기관의 제어 방법 및 그 장치 Download PDF

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만프레드 디트리히
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 내연기관을 재시동하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법에서는, 제1 실린더(ZYL1)가 낮은 공기 충전량을 가지고 제2 실린더(ZYL2)가 높은 공기 충전량을 가지며, 상기 공기 충전량에 따라 사전 설정된 회전수 임계값(ns)이 선택되며, 이 경우 내연기관의 설정 회전수(n)와 사전 설정된 회전수 임계값(ns)의 비교에 기초하여 재시동 방법이 선택되어 실행된다.

Description

내연기관의 제어 방법 및 그 장치{METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
특히 스타트/스톱 기술을 채용한 차량의 경우, 다시 말해 정상적인 주행 작동 중에 엔진이 빈번히 정지되었다가 다시 시동될 때, 내연기관의 쾌적한 코스팅 및 신속한 재시동이 매우 중요하다.
JP-2008298031 A는 진동을 억제하기 위해 코스팅 상태에서 내연기관의 스로틀 밸브를 폐쇄하는 방법을 기재하고 있다. 이런 조치를 통해 내연기관의 실린더들 내부의 공기 충전량이 감소하고, 그에 따라 압축 및 감압이 최소화됨으로써 코스팅 불안정성이 감소한다.
그러나 내연기관의 재시동을 위해서는, 재시동을 위해 점화가 이루어지는 실린더들 내에서 가능한 한 많은 공기가 요구된다. 다시 말하면, 일반적으로 (실린더 내 공기 요구량이 많은) 신속한 엔진 시동과 쾌적한, 다시 말해 (실린더 내 공기 요구량이 적은) 저진동 엔진 코스팅 간에 목표의 상충이 발생한다. 이러한 목표의 상충은 본 발명으로 해결된다.
일반적으로 내연기관이 재시동 되기 전에 내연기관의 정지가 대기되는 내연기관 재시동 방법이 공지되어 있다. 상기 방법의 경우, 특히 내연기관이 아직 코스팅 상태에 있을 때 시동이 요구되는 이른바 "마음의 변화(Change of Mind)" 상황에서 시동 요구와 엔진 시동 사이의 시간 지연이 감지되어 불편하게 느껴질 수 있다.
종래 기술에서는, 특히 내연기관의 흡기 밸브들의 양정 거동을 변화시켜 실린더들의 공기 충전량을 조절하는 장치들이 일반적으로 공지되어 있다. 특히 전기 유압식 액추에이터들에 의해 흡기 밸브들의 양정 거동이 광범위한 한계치 이내에서 임의로 형성될 수 있는 점도 공지되었다. 상기 전기 유압식 밸브 조정 장치를 포함하는 내연기관은 스로틀 밸브를 필요로 하지 않는다. 마찬가지로, 특히 흡기 밸브들의 양정 곡선이 캠 샤프트의 조정을 통해 변할 수 있는 점도 공지되었다. 실린더들의 공기 충전량이 변동될 수 있게 하는 상기 장치들 및 스로틀 밸브는 하기에서 공기량 조절 장치라고도 지칭된다.
본 발명에 따른 방법은, 특히 "마음의 변화(Change of Mind)" 상황에서 내연기관의 매우 신속한 재시동이 보장된다는 장점이 있다.
엔진 코스팅 상태에서, 예컨대 공기량 조절 장치에 의해, 제1 실린더 내 충전량이 적고 제2 실린더 내 충전량이 많으면, 내연기관의 코스팅 거동을 매우 원활하게 예측할 수 있다. 이때 회전수 임계값이 정의될 수 있으며, 상기 회전수 임계값은 내연기관의 설정 회전수가 회전수 임계값보다 큰지 아니면 작은지의 여부에 따라 제2 실린더가 아직 팽창 행정 상태인지, 아니면 제2 실린더가 팽창 행정을 개시하기 전 내연기관이 진동 운동 중인 상태인지를 판별한다. 이러한 내연기관 코스팅 거동의 정보를 통해, 내연기관의 매우 신속한 재시동을 위한 바람직한 조치들이 도출될 수 있다.
내연기관의 설정 회전수가 회전수 임계값보다 크면, 제2 실린더가 팽창 행정을 개시할 정도로 내연기관의 회전 운동 에너지가 큰 점이 보장된다. 상기 실린더 내에서 연료/공기 혼합기가 점화되면, 내연기관의 직접 시동이 실행된다. 이러한 직접 시동은 스타터를 사용하지 않고 실행되며, 내연기관의 코스팅을 기다릴 필요가 없기 때문에 매우 신속하게 이루어진다.
내연기관의 설정 회전수가 회전수 임계값보다 작으면, 코스팅 상태에서의 내연기관의 진동 거동이 매우 원활하게 예측될 수 있다. 내연기관의 스타터는, 내연기관의 회전수가 충분히 작을 때에만 연동될 수 있기 때문에, 스타터가 적시에 연동되어 시동될 수 있도록 내연기관의 회전수를 설정하는 것이 중요하다. 그러나 스타터는 사점(예: 50ms)을 가지므로, 적절한 연동 시점을 미리 인지해야 한다. 따라서 내연기관의 신속한 시동을 위해서는 내연기관의 회전수 거동을 예측하고, 상기 예측된 회전수 거동으로부터 제1 연동 시점 또는 제2 연동 시점을 결정하는 것이 매우 바람직하다. 특히 상기 연동 시점들이 내연기관의 정지 이전에 위치할 경우 재시동의 신속성의 이득이 더욱 두드러진다.
내연기관의 진동 운동 중, 상기 진동 운동의 방향이 역전되는 내연기관 회전 운동의 역전 지점들에서 내연기관의 회전수 곡선이 영점을 통과한다. 상기 지점에서는 스타터의 연동이 매우 안정적일 수 있는데, 그 이유는 회전수의 영교차점 근방의 주기에서 회전수가 작기 때문이다. 매우 신속한 재시동을 위해서는, 내연기관의 최대한 빠른 역전 시점 또는 최대한 빠른 회전 운동 역전 지점이 제1 연동 시점으로서 선택되는 것이 바람직하다. 여기서 최대한 빠른 역전 시점이란 스타터가 연동되어 시동되기에 적합한 역전 시점들 중 바로 다음 역전 시점을 말한다.
스타터가 그의 사점에도 불구하고, 시동 요구가 검출된 후 원하는 시점에 연동되어 시동되도록 제어되는 것을 보장하기 위해, 시동 요구가 검출되는 시점 이후 적어도 사전 설정 가능한 제어 사점 근방에 최대한 빠른 역전 시점이 놓이는 것이 매우 바람직하다. 즉, 상기 최대한 빠른 역전 시점은 시동 요구 시점 이후 바로 다음 역전 시점이 아니라, 시동 요구 시점 이후 시간상 적어도 사전 설정 가능한 제어 사점 근방에 놓이는 바로 다음 역전 시점이 될 수 있다.
언제라도 스타터의 연동이 가능할 정도로 이미 내연기관의 진동 운동이 느려진 경우에는, 스타터의 연동 및 시동을 가능케 하기 위해 상기 진동 운동의 역전점들을 예측할 필요가 없다. 즉, 제2 연동 시점은 바람직하게 제2 연동 시점에서부터 내연기관의 회전수가 사전 설정 가능한 회전수 대역을 더 이상 벗어나지 않도록 선택된다. 이러한 방법은 매우 안정적이며, 내연기관의 연동을 위해 더 이상 진동 운동의 역전점을 기다릴 필요가 없기 때문에 속도 측면에서의 장점도 획득된다. 스타터가 연동될 수 있는 속도 임계치들은 통상 내연기관의 순방향 회전의 경우와 역방향 회전의 경우에 따라 상이하므로, 상기 두 경우의 임계치들을 별도로 모니터링하는 것이 바람직하다. 일반적으로 내연기관의 역방향 회전의 경우보다 순방향 회전의 경우에 스타터가 더 높은 속도에서 연동될 수 있다.
예측된 회전수가 제2 연동 시점에서부터 사전 설정 가능한 양의 임계치를 상회하지 않도록 제2 연동 시점이 선택되면, 적어도 내연기관의 순방향 회전 시에는 이미 확실하게 연동될 수 있기 때문에 속도 측면에서 장점이 획득된다.
예측된 회전수가 제2 연동 시점에서부터 사전 설정 가능한 음의 임계치를 하회하지 않도록 제2 연동 시점이 선택되면, 내연기관의 순방향 회전 및 역방향 회전의 방향으로 확실하게 연동될 수 있기 때문에 본원의 방법이 매우 안정적이게 된다.
물론 상기 장점들은, 스타터가 내연기관의 순방향 회전 시보다 역방향 회전 시 더 높은 속도에서 연동될 수 있는 경우에도 획득된다. 중요한 것은 단지 상기 두 경우의 임계치들의 각각의 장점이 활용되느냐 하는 점이다.
하기에는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 더 상세하게 설명된다.
도 1은 내연기관의 실린더를 도시한 개략도이다.
도 2는 내연기관의 정지 시 내연기관의 몇몇 특성 파라미터의 특성 곡선을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 3은 내연기관을 정지시키기 위한 본 발명에 따른 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 내연기관의 정지 및 재시동 시 회전수 특성 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 내연기관의 정지 및 재시동 시 회전수 특성 곡선을 상세하게 나타낸 그래프이다.
도 6은 내연기관의 재시동 시 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 7은 다양한 회전수 임계값의 조건에서 내연기관의 진동 거동을 도시한 개략도이다.
도 8은 회전수 임계값을 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1에는 연소실(20)과, 커넥팅 로드(40)에 의해 크랭크 샤프트(50)에 연결되는 피스톤(30)을 포함하는 내연기관의 실린더(10)가 도시되어 있다. 피스톤(30)은 공지된 방식으로 상하 운동을 실행한다. 운동의 전환점을 사점이라 지칭한다. 상향 운동에서 하향 운동으로의 전환을 상사점이라 하고, 하향 운동에서 상향 운동으로의 전환은 하사점이라 한다. 크랭크 샤프트(50)의 각도 위치, 즉 이른바 크랭크 샤프트 각도는 통상적으로 상사점에 상대하여 정의된다. 크랭크 샤프트 센서(220)는 크랭크 샤프트(50)의 각도 위치를 검출한다.
흡기관(80)을 통해서는 공지된 방식으로 피스톤(30)의 하향 운동 시 연소될 공기가 연소실(20) 내로 흡입된다. 이는 흡입 행정이라 지칭된다. 배기관(90)을 통해서는 연소된 공기가 피스톤(30)의 상향 운동 시 연소실(20)로부터 밀려 배출된다. 이는 통상적으로 배기 행정이라 지칭된다. 흡기관(8)을 통해 흡입된 공기의 양은, 컨트롤 유닛(70)에 의해 그 위치가 결정되는 공기량 조절 장치[본 실시예에서는 스로틀 밸브(100)]에 의해 조정된다.
흡기관(80) 내에 배치된 흡기관 분사 밸브(150)를 통해서는 연료가 흡기관(80)으로부터 흡입된 공기 내로 분사되어 연료/공기 혼합기가 연소실(20) 내에서 생성된다. 흡기관 분사 밸브(150)를 통해 분사된 연료의 양은 컨트롤 유닛(70)에 의해, 통상적으로 제어 신호의 지속시간 및/또는 세기에 의해 결정된다. 점화 플러그(120)는 연료/공기 혼합기를 점화시킨다.
연소실(20)로 향하는 흡기관(80)의 배출구에 위치하는 흡기 밸브(160)는 캠 샤프트(190)의 캠(180)을 통해 구동된다. 마찬가지로 연소실(20)로 향해 있는 배기관(90)의 배출구에 위치하는 배기 밸브(170)도 캠 샤프트(190)의 캠(182)을 통해 구동된다. 캠 샤프트(190)는 크랭크 샤프트(50)와 연결된다. 통상적으로 캠 샤프트(190)는 크랭크 샤프트(50)의 2회전당 1회의 회전을 실행한다. 캠 샤프트(190)는, 배기 밸브(170)가 배기 행정에서 개방되고 상사점 근처에서는 폐쇄되도록 구성된다. 흡기 밸브(160)는 상사점 근처에서 개방되고 흡입 행정에서 폐쇄된다. 배기 밸브(170)와 흡기 밸브가 기술적으로 동시에 개방되는 위상을 밸브 오버랩이라 한다. 상기 밸브 오버랩은 예컨대 내부의 배기 가스 재순환을 위해 이용된다. 캠 샤프트(190)는 특히 컨트롤 유닛(70)에 의해 제어될 수 있는 방식으로 구성될 수 있으며, 그럼으로써 내연기관의 작동 파라미터들에 따라 흡기 밸브(160) 및 배기 밸브(170)의 다양한 양정 거동들이 설정된다. 또는 흡기 밸브(160)와 배기 밸브(170)가 캠 샤프트(190)를 통해서가 아니라 전기 유압식 밸브 액추에이터를 통해 상향 및 하향 운동을 할 수도 있다. 이런 경우에 캠 샤프트(190) 및 캠들(180 및 182)은 생략될 수 있다. 상기 전기 유압식 밸브 액추에이터의 경우에도 스로틀 밸브(100)는 불필요하다.
스타터(200)는 기계식 커플링(210)을 통해 크랭크 샤프트(50)와 기계식으로 연결될 수 있다. 스타터(200)와 크랭크 샤프트(50) 사이의 기계식 연결의 형성은 연동(engagement)이라고도 지칭된다. 스타터(200)와 크랭크 샤프트(50) 사이의 기계식 연결의 분리는 연동 해제(release)로서도 지칭된다. 연동은, 내연기관의 회전수가 내연기관과 스타터에 좌우되는 회전수 임계값 미만일 때에만 가능하다.
도 2에는 내연기관의 정지 시 내연기관의 거동이 도시되어 있다. 도 2a에는 제1 실린더(ZYL1) 및 제2 실린더(ZYL2)의 다양한 행정의 진행 순서가 크랭크 샤프트(KW)의 각도에 걸쳐서 도시되어 있다. 또한, 내연기관의 제1 사점(T1), 제2 사점(T2), 제3 사점(T3), 제4 사점(T4) 및 제5 사점(T5)도 표시되어 있다. 상기 사점들 사이에서 제1 실린더(ZYL1)는 공지된 방식으로 배기 행정, 흡입 행정, 압축 행정 및 팽창 행정을 수행한다. 4개의 실린더를 구비한 내연기관의 실시예에서 제2 실린더(ZYL2)의 행정들은 720°/4 =180°씩 변위된다. 제1 실린더(ZYL1)와 관련하여, 제1 사점(T1), 제3 사점(T3) 및 제5 사점(T5)은 하사점이고, 제2 사점(T2) 및 제4 사점(T4)은 상사점이다. 제2 실린더(ZYL2)와 관련해서는 제1 사점(T1), 제3 사점(T3) 및 제5 사점(T5)이 상사점이고, 제2 사점(T2) 및 제4 사점(T4)은 하사점이다.
도 2b에는 도 2a에 도시된 행정들에 대해 평행하게 시간(t)에 걸친 내연기관의 회전수(n)의 특성 곡선이 도시되어 있다. 회전수(n)는 예컨대 크랭크 샤프트 각도(KW)의 시간 도함수로서 정의된다. 제1 사점(T1)은 제1 시점(t1)에 대응되고, 제2 사점(T2)은 제2 시점(t2)에 대응되고, 제3 사점(T3)은 제3 시점(t3)에 대응되며, 제4 사점(T4)은 제4 시점(t4)에 대응된다. 각각 2개의 연속되는 시점 사이, 예컨대 제1 시점(t1)과 제2 시점(t2) 사이에서는 회전수가, 이후에 단조 감소하기 위해, 먼저 짧게 증가한다. 짧은 회전수 증가는 실린더들 내 공기 충전량의 압축에 기반한다. 상사점을 통과하는 실린더가 그의 공기 충전량을 최대로 압축함으로써, 상기 공기 충전량 내에 압축 에너지가 저장된다. 상기 압축 에너지는 내연기관의 추가 회전 시에 부분적으로 회전 에너지로 변환된다.
도 2c에는 도 2a 및 도 2b에 대해 평행하게 스로틀 밸브(100)의 제어 신호(DK)의 시간별 특성 곡선이 도시되어 있다. 종래 기술로부터 공지된 것처럼, 내연기관의 정지 시 스로틀 밸브(100)가 우선 폐쇄되며, 이는 제1 제어 신호(DK1)에 상응한다. 도 2b에 도시된 것처럼, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns), 예컨대 300rpm 미만으로 감소하면, 본 발명에 따라 임의의 개방 시점(tauf)에서 스로틀 밸브(100)가 개방되며, 이는 제2 제어 신호(DK2)에 상응한다. 이 경우 개방 시점은, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소한 이후 그 다음 사점인 제3 사점(T3)의 직후가 되도록 선택된다. 제2 실린더(ZYL2)는 제3 사점(T3)에서 흡입 행정을 개시한다. 그러므로 제2 실린더는 하기에서 흡입 실린더(ZYL2)라고도 지칭된다. 실시예에서 개방 시점(tauf)은 흡입 실린더의 밸브 오버랩의 종료와, 다시 말해 흡입 실린더(ZYL2)의 배기 밸브(170)의 폐쇄 시점과 일치한다. 흡입 실린더(ZYL2)의 상사점과 관련하여 개방 시점(tauf)은 크랭크 샤프트 개방각(KWauf)에 상응한다. 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하는 시점을 검출하기 위해, 내연기관의 회전수(n)가 지속적으로 모니터링될 수 있다. 그러나 사점들 이후 내연기관의 회전수(n)의 상승은 작고, 개방 시점(tauf)은 사점 직후에 위치해야 하기 때문에, 내연기관의 각각의 사점에서, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하는지의 여부를 검사할 수도 있다. 도 2b에 도시된 실시예에 따라, 제1 시점(t1) 및 제 시점(t2)에서는, 내연기관의 회전수(n)가 아직 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하지 않는 점을 알 수 있다. 제3 시점(t3)에서야 처음으로 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하는 것을 알 수 있고, 스로틀 밸브(100)는 개방된다.
스로틀 밸브(100)가 개방됨으로써 이제 흡입 행정에서 많은 공기가 흡입 실린더 내로 유입된다. 흡입 실린더(ZYL2)가 제4 시점(t4) 이후에 압축 행정을 개시하면, 나머지 실린더들에 비해서 강하게 증가한 공기 충전량으로 달성될 압축 작동은 팽창하는 실린더들에서 방출되는 압축 에너지를 능가하며, 내연기관의 회전수(n)는 역진동 시점(tosc)에 영(0)이 될 때까지 빠르게 감소한다. 이후 크랭크 샤프트(50)의 회전 운동은 반대 방향으로 향하고, 내연기관의 회전수(n)는 음의 값이 된다. 역진동 시점(tosc)은 도 2a에 표시된 크랭크 샤프트(50)의 역진동 각도(RPW)에 상응한다. 정지 시점(tstop)에서 내연기관은 정지한다. 여기서 유의할 사항은 시간 축의 표시는 비선형이라는 점이다. 내연기관의 회전수(n)의 감소에 상응하게, 제3 시점(t3)과 제4 시점(t4) 사이의 시간 간격은 제2 시점(t2)과 제3 시점(t3) 사이의 시간 간격보다 더 크며, 상기 제2 시점과 제3 시점 사이의 시간 간격은 재차 제1 시점(t1)과 제2 시점(t2) 사이의 시간 간격보다 더 크다. 내연기관의 제5 사점(T5)에는 도달하지 않는다. 역진동 시점(tosc)과 정지 시점(tstop) 사이의 시간 간격에서 크랭크 샤프트(50)는 진동 운동을 실행하며, 이런 진동 운동 시에 제2 실린더(ZYL2)는 그의 압축 행정과 흡입 행정 사이를 오가고, 그에 상응하게 제1 실린더(ZYL1)는 그의 팽창 행정과 압축 행정 사이를 오간다.
도 3에는 도 2에 도시된 거동에 상응하는 방법의 진행 순서가 도시되어 있다. 내연기관이 작동할 때, 정지 검출 단계 1000에서, 내연기관이 작동 중지되어야 한다는 점이 검출된다. 이후 분사 및 점화가 차단되는 단계 1010이 진행된다. 즉, 내연기관은 코스팅 상태에 놓인다. 이어서 스로틀 밸브가 폐쇄되는 단계 1020이 진행된다. 캠 샤프트 조정 장치를 장착한 내연기관의 경우에 단계 1020에서는 대체되는 방식으로 더 작은 캠으로의 전환이 이루어질 수 있으며, 그럼으로써 실린더들 내 공기 충전량이 감소하게 된다. 전기 유압식 밸브 조정 장치를 장착한 내연기관의 경우에는 단계 1020에서 내연기관의 밸브들이 폐쇄될 수 있다. 이후 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns)을 하회했는지의 여부에 대해 검사되는 단계 1030이 진행된다. 만일 하회한 경우라면, 이어서 단계 1040이 진행된다. 만일 하회하지 않은 경우라면, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns)을 하회하게 될 때까지 단계 1030이 반복된다. 단계 1040에서 스로틀 밸브(100)는 개방 시점(tauf)에 개방된다. 캠 샤프트 조정 장치를 장착한 내연기관의 경우에는 그 대신에 단계 1040에서 예컨대 더 큰 캠으로의 전환이 이루어질 수 있으며, 그럼으로써 흡입 실린더(ZYL2) 내 공기 충전량이 증가하게 된다. 전기 유압식 밸브 조정 장치를 장착한 내연기관의 경우에는 단계 1040에서 흡입 실린더(ZYL2)의 흡기 밸브(160)가, 흡입 실린더(ZYL2)의 흡입 행정 동안 개방됨에 따라 흡입 실린더(ZYL2) 내 공기 충전량이 증가되도록 제어될 수 있다. 이어서 단계 1060이 진행된다. 선택적 단계 1060에서는 흡기관 분사 밸브(150)를 통해 연료가 내연기관의 흡기관(80) 내로 분사된다. 이와 같은 연료의 분사는, 흡입 행정에서 연료/공기 혼합기가 흡입 실린더(ZYL2) 내로 흡입되도록 이루어진다. 단계 1100에서는 본 발명에 따른 방법이 종료된다. 도 2b에 도시된 것처럼 내연기관은, 흡입 실린더(ZYL2)가 흡입 행정 또는 압축 행정의 상태에 놓이는 정지 위치로 진동한다. 단계 1060에서의 연료 분사는, 흡기관 분사 장치를 장착한 내연기관의 경우 내연기관의 신속한 재시동을 위해 바람직하다.
도 4에는 정지 및 재시동 시 내연기관의 회전수(n)의 시간별 특성 곡선이 도시되어 있다. 내연기관의 회전수(n)는 도 2b에 도시된 방식으로 코스팅 위상(T_코스팅) 동안 감소하다가, 최종적으로 도 2b에 도시된 역진동 시점(tosc)에서 내연기관의 회전 운동이 역전될 때 그 연산 부호가 전환된다. 이는 도 4에 코스팅 위상(T_코스팅)의 종료 및 진동 위상(T_진동)의 시작으로서 도시되어 있다. 아직 코스팅 위상(T_코스팅) 중에 있는 상태에서 시동 요구 시점(tstart)에서는 예컨대 운전자가 가속 페달을 밟은 점이 검출됨으로써, 내연기관이 다시 시동되어야 함이 결정된다. 정지 시점(tstop) 전에 상기와 같이 검출된 시동 요구를 "마음의 변화(Change of Mind)"라고도 한다. 진동 위상(T_진동)에서 내연기관의 회전수(n)의 특성 곡선은, 도 2b에 도시된 정지 시점(tstop)에서 상수 영(0)으로 감소하여 영에서 유지될 때까지 도출되는 특성 곡선을 통과한다. 정지 시점(tstop)은 도 4에서 진동 위상(T_진동)의 종료를 표시한다.
종래 기술에서 공지된 내연기관 시동 방법의 경우, 진동 위상(T_진동)에 이어서 내연기관이 정지한 점이 검출되면, 스타터(200)가 연동되어 제어된다. 도 4에는 도시되지 않은 스타터(200)의, 예컨대 50㎳의 제어 불감 시간(T_tot) 이후에 스타터(200)는 시점(tSdT)에 회전 운동을 개시하고, 그에 따라 크랭크 샤프트(50)를 다시 운동시킨다. 그에 반해서 본 발명에 따른 방법의 경우 제1 연동 시점(tein1)과 경우에 따라 제2 연동 시점(tein2)이 결정된다. 제1 연동 시점(tein1) 및 제2 연동 시점(tein2)은 스타터(200)가 연동될 수 있을 정도로 내연기관의 회전수(n)가 낮다는 점을 특징으로 한다. 제1 연동 시점(tein1)과 제2 연동 시점(tein2)은 컨트롤 유닛(70)에 의해 결정된다. 시동 요구 시점(tstart)과 제1 연동 시점(tein1) 사이의 시간 간격이 제어 불감 시간(T_tot)보다 더 크다면, 스타터(200)가 연동되어 제1 연동 시점(tein1)에서 회전 운동을 개시하도록 제어된다. 제1 연동 시점(tein1)이 시간상 시동 요구 시점(tstart)에 너무 근접하면, 스타터(200)가 연동되어 제2 연동 시점(tein2)에서 회전 운동을 개시하도록 제어된다.
도 5에는 제1 연동 시점(tein1) 및 제2 연동 시점(tein2)의 선택이 상세하게 도시되어 있다. 설명한 것처럼, 내연기관의 회전수(n)는 개방 시점(tauf) 이후에 빠르게 영(0)으로 감소하며, 내연기관은 역진동 시점(t_osc)에 역방향 운동을 개시한다. 제1 연동 시점(tein1)은 스로틀 밸브(100)의 개방 이후에 예컨대 특성맵 또는 컨트롤 유닛(70) 내에 저장된 모델에 기초하여 결정되며, 추정된 역진동 시점(tosc)에 상응한다. 또한, 역진동 시점(tosc) 대신, 내연기관의 회전수(n)가 영교차를 포함하는 다른 시점들이 지정되어 제1 연동 시점(tein1)으로서 선택될 수도 있다.
내연기관의 회전수(n)의 영교차에 보충되는 방식으로, 내연기관의 회전수(n)가 스타터(200)의 연동이 가능할 수 있는 회전수 대역을 더 이상 벗어나지 않는 점이 보장되기 시작하는 제2 연동 시점(tein2)이 선택될 수 있다. 상기 회전수 대역은 예컨대 내연기관의 순방향 회전 시 스타터(200)가 연동될 수 있을 때까지의 양의 임계값(nplus), 예컨대 70rpm, 및 내연기관의 역방향 회전 시 스타터(200)가 연동될 수 있을 때까지의 음의 임계값(nminus), 예컨대 30rpm으로써 제공된다. 컨트롤 유닛(70)은 예컨대 특성맵에 기초하여, 내연기관의 운동 에너지가 제2 연동 시점(tein2)부터 회전수 대역[nminus, nplus]을 더 이상 벗어나지 않을 만큼 감소하는지를 계산한다. 제2 연동 시점(tein2)에, 또는 제2 연동 시점(tein2) 이후 임의의 시점에, 스타터(200)는 연동되어 회전 운동을 할 수 있다.
도 6에는 내연기관을 재시동하기 위한 본 발명에 따른 방법의 진행 순서가 도시되어 있다. 단계 2000은 도 3에 도시된 단계 1000과 일치한다. 단계 2000에서는 내연기관을 정지시키고자 하는 요구가 검출된다. 이어서 단계 2005가 진행된다. 단계 2005에서는, 실린더들 내 공기 충전량을 감소시키기 위해서, 스로틀 밸브가 폐쇄되거나, 또 다른 조치, 예컨대 캠들(180, 182)의 조정 또는 밸브들(160 및 170)의 적절한 전기 유압식 제어가 개시된다. 이후 단계 2010이 진행된다.
단계 2010에서는, 내연기관이 아직 코스팅 상태인 동안, 다시 말해 도 4에 도시된 코스팅 위상(T_코스팅)에 있는 동안, 내연기관의 시동을 위한 시동 요구가 검출되는지의 여부가 결정된다. 시동 요구가 검출된다면, 이어서 단계 2020이 진행된다. 시동 요구가 검출되지 않으면, 이어서 단계 2090이 진행된다. 단계 2020에서는, 내연기관의 회전수(n)가 (경우에 따라 최소 간격, 예컨대 10rpm만큼) 회전수 임계값(ns)을 상회하는지의 여부가 검사된다. 상기 검사는 연속적으로 실시될 수 있거나, 크랭크 샤프트와 동기화되어서도, 특히 내연기관의 각각의 사점에서 실시될 수 있다. 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns)을 상회하면, 이어서 단계 2030이 진행되고, 상회하지 않으면, 이어서 단계 2070이 진행된다.
단계 2030에서는, 후속하여 흡입 행정서 실린더 내 공기 충전량을 증가시키기 위해서, 스로틀 밸브가 개방되거나, 예컨대 캠들(180, 182)의 조정 또는 밸브들(160 및 170)의 적절한 전기 유압식 제어와 같은 또 다른 조치가 취해진다. 흡기관 분사 밸브(50)를 통해서는 연료가 흡기관(80) 내로 분사된다. 이어서 흡입 실린더(ZYL2), 즉 후속하여 흡입 행정에서 자체의 공기 충전량이 실질적으로 증가하는 실린더가 검출되는 단계 2040이 진행된다. 흡입 실린더(ZYL2)가 흡입 행정을 개시하여 흡기관(80) 내에 존재하는 연료/공기 혼합기를 흡입한다. 이어서 흡입 실린더(ZYL2)는 압축 행정으로 전환된다. 회전수(n)는 회전수 임계값(ns)보다 더 높다. 회전수 임계값(ns)은, 흡입 실린더(ZYL2)가 곧바로 더 이상 상사점을 통과하지 않도록 선택된다. 그러므로 내연기관의 상기 회전수(n)에서는, 흡입 실린더(ZYL2)가 상사점을 다시 통과하여 팽창 행정으로 전환되는 점이 보장된다. 이어서 단계 2050이 진행된다. 단계 2050에서는, 크랭크 샤프트(50)의 회전을 가속화시키는 흡입 실린더(ZYL2) 내의 연료/공기 혼합기가 점화되고, 이어서 단계 2060이 진행된다. 단계 2060에서는 내연기관의 시동을 달성하기 위해서 추가의 조치들이 실행되며, 특히 내연기관의 나머지 실린더들 내에서는 그에 상응하게 연료/공기 혼합기가 점화된다. 내연기관의 시동과 함께 본 발명에 따른 방법은 종료된다.
단계 2070에서는 흡기관 분사 밸브(150)를 통해서 연료가 흡기관(80) 내로 분사된다. 이어서 단계 2100이 진행된다.
단계 2090에서는 도 3에 도시된 단계 1030에 상응하게, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하는지의 여부가 검사된다. 하회하지 않은 경우라면, 단계 2010으로 되돌아간다. 하회한 경우라면, 이어서 단계 2100이 진행된다.
단계 2100은 도 3의 단계 1040에 상응한다. 스로틀 밸브가 개방되거나, 공급되는 공기량이 증가되도록 또 다른 공기량 조절 장치, 예컨대 캠 조정 장치 또는 전기 유압식 밸브 제어 장치가 제어된다. 이어서 단계 2110이 진행된다.
단계 2110에서는, 내연기관의 시동을 위한 요구가 존재하는지의 여부가 결정된다. 요구가 존재하는 경우라면, 이어서 단계 2120이 진행된다. 요구가 존재하지 않는 경우라면, 내연기관의 시동을 위한 요구가 존재할 때까지 단계 2110이 반복된다. 단계 2120에서는 내연기관이 정지해 있는지의 여부가 검사된다. 이는 도 4에 도시된 진동 위상(T_진동)의 종료 이후의 시간에 상응한다. 내연기관이 정지한 상태라면 내연기관의 시동을 위한 통상적인 조치들이 실행되는 단계 2060이 진행된다. 도 4에 도시된 것처럼, 내연기관은 시점(tSdT)에서 시동된다.
단계 2120에서 내연기관이 정지해 있지 않다면, 이어서 단계 2150이 진행된다. 단계 2150에서는 제1 연동 시점(tein1)이 예측된다. 상기 예측은 예컨대 특성맵에 기초하여 이루어진다. 흡입 실린더(ZYL2)가 상사점을 마지막으로 통과할 때 [본 실시예에서는 제4 시점(t4)에서] 검출된 회전수(n)에 따라서 내연기관의 운동 에너지가 검출될 수 있으며, 공기량 조절 장치의 제2 위치(DK2)로부터 흡입 실린더(ZYL2)의 공기 충전량과, 그에 따라 흡입 실린더(ZYL2)에 의해 압축 행정에서 압축되는 가스 스프링의 세기가 추정될 수 있다. 이로부터 제1 연동 시점(tein1)으로서 예측되는 역진동 시점(tosc)이 추정된다. 이어서 제1 연동 시점(tein1)과 현재 시점 사이의 시간차가 스타터(200)의 제어 불감 시간(T_tot)보다 더 큰지의 여부가 검사되는 단계 2160이 진행된다. 시간차가 더 크다면, 이어서 단계 2170이 진행된다. 시간차가 더 크지 않다면, 이어서 단계 2180이 진행된다.
단계 2180에서는 제2 연동 시점(tein2)이 결정된다. 도 5에서 설명한 것처럼, 제2 연동 시점(tein2)은, 내연기관의 회전수(n)가 제2 연동 시점(tein2)부터 음의 임계값(nminus)과 양의 임계값(nplus) 사이의 회전수 간격 이내에서 유지되도록 선택된다. 후속하는 단계 2190에서는 스타터(200)가 연동되어 제2 연동 시점(tein2)에서부터 시동된다. 이어서 내연기관의 시동을 위한 추가 조치들이 실행되는 단계 2060이 진행된다. 대체되는 방식으로, 단계 2180에서 회전수(n)가 음의 임계값(nminus)과 양의 임계값(nplus) 사이에서 유지되는 연동 주기를 결정할 수도 있다. 이런 경우에 단계 2190에서는 스타터(200)가 상기 연동 주기 이내에 연동되어 시동된다.
흡기관 분사 밸브(150) 대신 내연기관의 분사 밸브가 연소실 내에 배치되는 점, 다시 말해 직접 분사 밸브로서 구성되는 점도 생각해볼 수 있다. 이런 경우에, 스로틀 밸브의 개방 직후 흡기관 내로의 연료 분사는 생략될 수 있다. 단, 연료가 재시동 시 점화되기 전에 흡입 실린더(ZYL2) 내로 적절하게 분사되는지가 중요하다.
도 7에는 회전수 임계값(ns)의 선택이 도시되어 있다. 도 7a에는 회전수 임계값(ns)이 올바르게 선택된 경우 흡입 실린더(ZYL2)의 진동 거동이 도시되어 있다. 크랭크 샤프트 개방각(KWauf)에서 흡입 실린더(ZYL2)는 순방향 운동 상태이고, 제4 사점(T4)에 상응하는 하사점(UT)을 통과하여, 역진동 각도(RPW)에서 회전 방향을 바꾼다. 도 7a에서는 흡입 실린더(ZYL2)가 정지할 때까지 추가로 진동 운동할 것으로 예상된다.
도 7b에는 회전수 임계값(ns)이 너무 높게 선택된 경우 흡입 실린더(ZYL2)의 진동 거동이 도시되어 있다. 너무 높은 회전수 임계값(ns)은, 스로틀 밸브(100)의 개방 시, 다시 말해 크랭크 샤프트 개방각(KWauf)에서 내연기관의 운동 에너지가 너무 큼을 의미한다. 그 결과로, 흡입 실린더(ZYL2)는 제4 사점(T4)에 상응하는 하사점(UT)을 통과하고 이어서 제5 사점(T5)에 상응하는 상사점(OT)도 통과한다. 이는 파워 트레인 내에서 바람직하지 못한 진동을 초래하며, 운전자 입장에서 불편함으로 인지된다.
도 7c에는 회전수 임계값(ns)이 너무 낮게 선택된 경우 흡입 실린더(ZYL2)의 진동 거동이 도시되어 있다. 너무 낮은 회전수 임계값(ns)은, 스로틀 밸브(100)의 개방 시, 다시 말해 크랭크 샤프트 개방각(KWauf)에서 내연기관의 운동 에너지가 너무 작음을 의미한다. 흡입 실린더(ZYL2)는 제4 사점에 상응하는 하사점(UT)을 통과하지만, 상대적으로 큰 역진동 각도(RPW)를 갖는다. 단계 3020에서, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns)보다 더 큰 것으로 검출되면, 흡입 실린더(ZYL2)가 상사점(OT)을 넘어 회전함에 따라 내연기관이 신속하게 시동될 수 있다는 점이 더 이상 확실하게 전제될 수 없게 된다.
따라서 회전수 임계값(ns)의 선택은 본 발명에 따른 방법의 기능 구현에 있어 핵심일 뿐더러, 다른 한편으로는 예컨대 사용되는 엔진 오일의 마찰 계수와 같이 내연기관의 수명 동안 변하는 변수들에 좌우된다는 이유에서 매우 중요하다.
도 8에서는 내연기관의 특성들의 초기화 또는 변경에서의 오류를 보상하기 위해, 초기에 사전 결정된 회전수 임계값(ns)이 적응될 수 있게 하는 적응 방법이 설명된다. 단계 3000에서는, 내연기관에 대한 정지 요구가 존재하는지가 검출되고, 내연기관의 시동을 위한 조치들이 유도된다. 단계 3010에서는 단계 1030에 상응하게, 내연기관의 회전수(n)가 회전수 임계값(ns) 미만으로 감소하는지의 여부가 검사된다. 하회하는 경우라면, 이어서 단계 1040에 상응하게 스로틀 밸브가 개방되는 단계 3020이 진행된다. 이어서 흡입 실린더(ZYL2)가 하사점(UT)을 이미 통과했는지의 여부가 검사되는 단계 3030이 진행된다. 하사점을 이미 통과하지 않은 경우라면, 이어서 단계 3040이 진행된다. 하사점을 통과한 경우라면, 단계 3060이 진행된다.
단계 3040에서는, 흡입 실린더(ZYL2)가 아직 하사점(UT)을 통과하기 전에, 내연기관이 시동될 정도로 회전수 임계값(ns)이 작게 선택되는 경우가 파악된다. 이를 위해 단계 3040에서는, 내연기관이 정지해 있는지의 여부가 검사된다. 내연기관이 정지해 있지 않은 경우라면, 단계 3030으로 되돌아간다. 내연기관이 정지해 있다면, 이어서 단계 3050이 진행된다. 단계 3050에서는 회전수 임계값(ns)이 증가한다. 이어서 본원의 방법이 종료되게 하는 단계 3100이 진행된다.
단계 3060에서는 내연기관의 회전 운동이 모니터링된다. 내연기관이 흡입 실린더(ZYL2)를 계속하여 상사점(OT) 너머로 회전시킨다면, 이어서 단계 3070이 진행된다. 상사점(OT)에 도달하지 않은 경우라면, 이어서 단계 3080이 진행된다. 단계 3070에서는 도 7b에 도시된 거동이 존재하며, 회전수 임계값(ns)은 감소한다. 이어서 본원의 방법이 종료되게 하는 단계 3100이 진행된다.
단계 3080에서는 역진동 각도(RPW)가 예컨대 크랭크 샤프트 센서(220)에 의해 측정된다. 이어서 단계 3090이 진행된다. 단계 3090에서는 역진동 각도(RPW)가 예컨대 10°의 최소 역진동 각도(RPWS)보다 더 작은지의 여부가 검사된다. 역진동 각도(RPW)가 최소 역진동 각도(RPWS)보다 더 작다면, 도 7a에 따르는 적합한 거동이 나타나며, 이어서 본원의 방법이 종료되게 하는 단계 3100이 진행된다. 역진동 각도(RPW)가 최소 역진동 각도(RPWS)보다 더 크다면, 도 7c에 도시된 거동이 나타나고, 이어서 회전수 임계값(ns)이 증가하는 단계 3050이 진행된다.
단계 3050에서의 회전수 임계값(ns)의 증가는 증분식으로 이루어질 수 있거나, 회전수 임계값(ns)은, 내연기관이 도 7b에 도시된 거동을 보이고, 그에 따라서 회전수 임계값(ns)이 처음에 매우 크게 선택되는 점이 보장되는, 초기 임계값(nsi)으로 증가한다. 초기 임계값(nsi)은 예컨대 적용 가능한 임계값으로서 형성될 수 있다. 초기 임계값은, 내연기관의 작동 중에 가능한 작동 파라미터들의 범주에서, 예컨대 공기 충전 누출량, 상이한 엔진 오일 누출량, 또는 내연기관의 마찰 작용의 다양한 허용 오차의 범주에서 내연기관이 도 7b에 도시된 거동을 보이고, 그에 따라 흡입 실린더(ZYL2)가 팽창 행정을 개시하도록 선택된다.
회전수 임계값(ns)의 적응은 선택에 따라, 내연기관의 재시동이 올바르게 개시되지 않을 때에도 실행될 수 있다. 요컨대, 단계 2020에서 내연기관의 검출된 회전수(n)가 회전수 임계값(ns)보다 더 크다고 판단되었고, 단계 2030, 2040 및 2050의 실행 이후에 단계 2060에서 흡입 실린더(ZYL2)가 팽창 행정을 개시하지 않은 것으로 확인되면, 회전수 임계값(ns)이 증가한다.

Claims (15)

  1. 내연기관을 재시동하기 위한 방법이며, 제1 실린더(ZYL1)가 낮은 공기 충전량을 가지고 제2 실린더(ZYL2)가 높은 공기 충전량을 가지며, 상기 공기 충전량에 따라 사전 설정된 회전수 임계값(ns)이 선택되는, 내연기관 재시동 방법에 있어서,
    내연기관의 설정 회전수(n)와 사전 설정된 회전수 임계값(ns)의 비교에 기초하여 재시동 방법이 선택되어 실행되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 크면 스타터(200)의 사용 없이 시동되고, 상기 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 크지 않으면 스타터(200)를 사용하여 시동되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 사전 설정된 회전수 임계값(ns)은, 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 크면 제2 실린더(ZYL2)가 내연기관의 코스팅 상태에서 팽창 행정을 개시하고, 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 크지 않으면 내연기관의 코스팅 상태에서 팽창 행정을 개시하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  4. 제3항에 있어서, 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 작으면 사전 설정 가능한 회전수 임계값(ns)은 감소하고, 제2 실린더(ZYL2)는 내연기관의 코스팅 상태에서 팽창 행정을 개시하는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 설정 회전수(n)가 사전 설정된 회전수 임계값(ns)보다 크면 사전 설정 가능한 회전수 임계값(ns)은 증가하고, 제2 실린더(ZYL2)는 팽창 행정을 개시하지 않는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 내연기관의 설정 회전수(n)가 사전 설정 가능한 회전수 임계값(ns)보다 크면, 제2 실린더(ZYL2) 내에서 연료/공기 혼합기가 점화되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 설정 회전수(n)가 사전 설정 가능한 회전수 임계값(ns)보다 크지 않으면, 내연기관의 회전수 거동을 예측하고, 상기 예측된 회전수 거동에 기초하여, 스타터(200)가 연동되어 시동되는 제1 연동 시점(tein1) 또는 스타터(200)가 연동되어 시동되는 제2 연동 시점(tein2)을 결정하는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 제1 연동 시점(tein1) 또는 제2 연동 시점(tein2)이 내연기관의 정지 전에 위치하는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 제1 연동 시점(tein1)은 내연기관의 회전 운동의 최대한 빠른 역전점인 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 최대한 빠른 역전점은 적어도 시동 요구가 검출되는 시점(tstart) 이후 사전 설정 가능한 제어 시점 근방에 위치하는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 연동 시점(tein2)은, 예측된 회전수가 상기 제2 연동 시점(tein2)에서부터 사전 설정 가능한 양의 임계치(nplus)를 상회하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 연동 시점(tein2)은, 예측된 회전수가 상기 제2 연동 시점(tein2)에서부터 사전 설정 가능한 음의 임계치(nminus)를 하회하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연기관 재시동 방법.
  13. 컴퓨터 프로그램에 있어서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에서의 적용을 위해 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는, 컴퓨터 프로그램.
  14. 내연기관의 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치를 위한 전기 저장 매체에 있어서, 상기 전기 저장 매체에 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에서의 적용을 위한 컴퓨터 프로그램이 저장되는 것을 특징으로 하는, 전기 저장 매체.
  15. 내연기관의 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치에 있어서, 상기 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에서의 적용을 위해 프로그래밍되는 것을 특징으로 하는, 개회로 및/또는 폐회로 제어 장치.
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